¿Cómo se produce industrialmente el oxígeno? Guía completa del proceso

La cuestión de la preparación industrial de oxígeno es importante, ya que el oxígeno se utiliza en muchos sectores, como la sanidad, la fabricación, la soldadura y la generación de electricidad, entre otros usos. El proceso de generación industrial de oxígeno se basa en la extracción y purificación del oxígeno del aire para satisfacer determinados requisitos. Además, lo que se hace en esta fase no es sólo separar el oxígeno, sino también garantizar su calidad, pureza y eficacia.

En esta guía, exploraremos las principales técnicas de generación de oxígeno industrial, las dificultades que surgen durante la producción y las tecnologías que definirán el futuro. Al final de este artículo, estará en condiciones de comprender todas las etapas de la producción de oxígeno.

¿Qué es la producción industrial de oxígeno?

Por producción industrial de oxígeno se entiende el proceso de obtención y purificación del oxígeno para las necesidades de diversas industrias a partir del aire. Aunque el oxígeno está presente en el aire atmosférico de la Tierra en forma de aproximadamente 21%, no puede utilizarse como tal en la mayoría de los procesos industriales. Por lo general, esto implica utilizar un método para separar el oxígeno de otros elementos que constituyen el aire, en el que el componente principal es el nitrógeno, el argón y otros gases residuales, y obtener pureza y el volumen adecuado de oxígeno.

El objetivo de la producción industrial de oxígeno es, por tanto, suministrar oxígeno en las cantidades requeridas y con los niveles de pureza adecuados para su uso en sectores afines considerados aquí como el médico, el metalúrgico, el químico y el energético. Por ejemplo, el oxígeno médico utilizado en el hospital tiene que tener una pureza superior a 99,5%, mientras que el oxígeno industrial para procesos de soldadura o combustión no requiere un nivel de pureza tan elevado.

Para ello, en las plantas de producción de oxígeno se emplean varios sistemas y aparatos complejos. Los montajes más comunes incluyen:

Unidad de separación de aire (ASU): Se trata de la parte central de muchas grandes plantas de producción de oxígeno. Las ASU emplean tecnologías como la destilación criogénica para enfriar el aire y a continuación aislar los gases individuales. En la ASU, las cajas frías también encuentran aplicación para mantener el perfil de temperatura extremadamente bajo necesario para la licuefacción del aire.

Compresores: Se utiliza para comprimir el aire atmosférico antes de su separación en los elementos constitutivos de un gas determinado. Estas máquinas también son útiles para hacer que el aire alcance los niveles de presión establecidos para funciones posteriores como la adsorción o la destilación criogénica.

Torres de adsorción (para sistemas PSA): En los sistemas de adsorción por cambio de presión (PSA), las torres de adsorción deben rellenarse con materiales como las zeolitas, a través de las cuales se adsorben selectivamente las moléculas de nitrógeno, mientras que el oxígeno permanece liberado.

Sistemas de membrana: Para aplicaciones en las que se requieren volúmenes más pequeños u oxígeno de menor pureza, se emplean sistemas de separación por membranas. Estos sistemas utilizan membranas que son selectivas al oxígeno y, por tanto, dejan pasar el oxígeno con preferencia a otros gases.

Tanques de almacenamiento criogénico: Una vez generado, el oxígeno líquido se almacena en tanques criogénicos. Estos tanques tienen temperaturas muy bajas que mantienen el oxígeno en estado líquido hasta que se necesita para su uso o se bombea a través del proceso de conversión a gas.

Los equipos mencionados funcionan conjuntamente para garantizar que la producción de oxígeno sea tan eficaz como sea pertinente para la industria. La decisión al respecto y la elección del equipo, así como del método, dependen de la aplicación a la que se destine, de la escala de producción, así como del grado de pureza requerido.

Por lo tanto, la producción industrial de oxígeno es un proyecto complejo que forma parte integrante de la economía actual. Así, las industrias pueden obtener la cantidad necesaria de oxígeno, su pureza y alcanzar el nivel necesario de eficiencia productiva con la ayuda de las tecnologías y equipos más modernos.

Principales métodos de producción industrial de oxígeno

La producción de oxígeno a escala industrial se basa en tres métodos principales: el método criogénico de producción de oxígeno, la adsorción por cambio de presión (PSA) y la separación por membranas. Todos ellos tienen peculiaridades y se utilizan en el modo correspondiente en función de la escala, la pureza y el coste del material necesario.

Producción criogénica de oxígeno: Utilización del proceso de licuefacción y destilación del aire para separar el oxígeno

La producción criogénica de oxígeno es el método más común de producción de oxígeno a gran escala debido a su alta pureza. Este proceso utiliza la destilación criogénica, que consiste en enfriar el aire por debajo de su punto de licuefacción. A estas temperaturas, el aire pasa a estado líquido y los distintos componentes del aire pueden separarse en función de sus puntos de ebullición. Por ejemplo, el oxígeno hierve a -183 grados Celsius mientras que el nitrógeno lo hace a -196 grados Celsius.

Antes de la licuefacción, sin embargo, hay que purificar el aire para eliminar el vapor de agua y otros contaminantes como el CO₂. Este paso es importante porque en condiciones criogénicas, incluso una pequeña cantidad de agua o CO₂ se condensa para formar hielo o CO₂ sólido que obstruye el equipo y dificulta el proceso de separación. En esta etapa, los tamices moleculares como 4A y 13X son muy esenciales. Son capaces de adsorber agua y CO₂ con gran selectividad y las concentraciones de estos componentes se reducen por debajo de 1 ppm. Los tamices moleculares también son únicos por su capacidad para eliminar humedad y CO₂ al mismo tiempo, y por su rendimiento durante múltiples ciclos de regeneración. Antes de los tamices moleculares pueden utilizarse otros desecantes, como el gel de sílice y la alúmina activada, para tratar grandes cantidades de humedad, pero no pueden igualar el secado fino y profundo que proporcionan los tamices moleculares, especialmente para aplicaciones criogénicas.

Una vez seco y purificado, el aire se enfría hasta su temperatura de licuefacción y se bombea a una caja fría. Aquí, las columnas de destilación separan el oxígeno del nitrógeno, el argón y otros componentes menores. El producto final es oxígeno líquido de muy alta pureza que puede utilizarse como tal o vaporizarse para su uso en oxígeno médico, soldadura e industrias siderúrgicas. Este método es más adecuado para aplicaciones que necesitan oxígeno con una pureza superior a 99% y generación de oxígeno a gran escala, lo que lo convierte en una tecnología fundamental para industrias con una elevada demanda de oxígeno.

Sin embargo, la producción criogénica de oxígeno no está exenta de problemas. Las temperaturas criogénicas son difíciles de alcanzar y mantener, y los sistemas de refrigeración necesarios para ello consumen mucha energía y son caros. Pero para las industrias que requieren un suministro grande y constante de oxígeno, como la siderúrgica, la de soldadura por gas o la sanitaria, este método sigue siendo muy útil por su fiabilidad y capacidad para producir grandes cantidades de oxígeno.

Adsorción por cambio de presión (PSA)

La adsorción por cambio de presión (PSA) es una de las formas más eficaces y económicas de producir oxígeno. Utiliza materiales como las zeolitas para adsorber nitrógeno de forma selectiva y, al mismo tiempo, pasar oxígeno. Al funcionar a presiones comparativamente bajas, los sistemas PSA son adecuados para la producción de oxígeno in situ, especialmente en sectores como el sanitario, donde la disponibilidad de oxígeno es esencial.

En los sistemas PSA, el aire comprimido fluye inicialmente a través de un material absorbente que captura el nitrógeno y otros contaminantes como el CO₂ y la humedad. Si no se tratan, estas impurezas pueden disminuir en gran medida la eficiencia y la vida útil del sistema. Los tamices moleculares como el 5A y el 13X se utilizan en este proceso porque son los principales adsorbentes que se emplean tanto para la separación del nitrógeno como para el secado en profundidad. Los tamices moleculares ayudan a mantener el rendimiento del sistema y la producción constante de oxígeno al disminuir el contenido de humedad y CO₂ a menos de 1 ppm. Algunos de los pasos del pretratamiento implican agentes de secado como la alúmina activada y el gel de sílice, que se ocupan de la humedad a granel y protegen los tamices moleculares. Sin embargo, los tamices moleculares son absolutamente esenciales para alcanzar el nivel de precisión y penetración necesario para las operaciones de PSA.

Cuando se libera la presión del sistema, el nitrógeno se desorbe y el material adsorbente queda listo para el siguiente ciclo de funcionamiento. El PSA no puede alcanzar el mismo nivel de pureza que la destilación criogénica, pero puede producir oxígeno con una pureza de 90-95%, adecuada para usos como la soldadura por gas o fines médicos.

Los PSA también son escalables, lo que constituye una de sus grandes ventajas. Pueden diseñarse para una producción a pequeña o mediana escala y, por tanto, son asequibles para las industrias que no necesitan las grandes cantidades que producen las plantas criogénicas. Sin embargo, el material adsorbente requiere una regeneración frecuente para mantener una alta eficiencia y eficacia a largo plazo.

Adsorción por cambio de presión al vacío (VPSA)

El VPSA es una modificación del PSA que mejora la eficacia, ya que se utiliza el vacío para eliminar el nitrógeno durante el proceso de desorción. Esto reduce el consumo de energía y aumenta el rendimiento general del sistema, lo que convierte al VPSA en una opción rentable para la producción de oxígeno de pureza media a caudales más elevados. Se utiliza habitualmente en la producción de acero, el tratamiento de aguas y los sistemas de combustión.

Para conseguir un funcionamiento estable de los sistemas VPSA, es necesario utilizar aire libre de humedad y CO₂, ya que estos componentes pueden dañar los adsorbentes o disminuir el rendimiento del sistema. Los tipos de tamices moleculares 5A, 13X y LiX avanzados son importantes en este proceso, especialmente los tamices moleculares LiX, que tienen una mayor capacidad de adsorción de nitrógeno, un mejor rendimiento de eliminación de agua y CO₂ y una mayor estabilidad en condiciones de alta presión y regeneración múltiple.

El pretratamiento consiste normalmente en alúmina activada y gel de sílice para tratar la eliminación de la humedad bruta y minimizar el trabajo de los tamices moleculares. No obstante, los tamices moleculares son vitales para conseguir puntos de rocío extremadamente bajos y preservar el rendimiento de los sistemas VPSA a largo plazo. Aunque el VPSA tiene un menor coste energético por volumen de oxígeno generado en comparación con el PSA, tiene mayores costes de capital debido a los sistemas de vacío. En este sentido, el VPSA es el más adecuado para industrias que requieren tanto una alta eficiencia como una gran capacidad.

Separación por membranas: Extracción de oxígeno a través de la permeabilidad de membranas específicas

La separación por membranas es una tecnología relativamente nueva en la producción de oxígeno. Emplea membranas poliméricas selectivas que permiten el paso de moléculas de oxígeno en lugar de moléculas de nitrógeno para producir una corriente concentrada de oxígeno. Este método es de pequeño tamaño, consume poca energía y es adecuado para aplicaciones que no requieren altos niveles de pureza del oxígeno.

Los sistemas de membrana son especialmente ventajosos para instalaciones remotas o móviles por su sencillez y bajo mantenimiento. Por ejemplo, la industria de soldadura por gas o la de producción química utilizan este método debido a su flexibilidad. Sin embargo, debido a su incapacidad para alcanzar el mismo nivel de pureza del oxígeno que los procesos PSA o criogénicos, el uso de esta técnica está algo restringido a demandas moderadas de pureza del oxígeno.

Antes de que el aire entre en las membranas, debe deshumidificarse para conseguir los mejores resultados. El agua y el CO₂ pueden disminuir la eficacia de la membrana y reducir la vida útil del sistema. La alúmina activada se utiliza como agente secante primario en estos sistemas para eliminar la humedad a granel hasta un nivel suficiente para la mayoría de los procesos. Para aplicaciones más exigentes en las que se necesita un secado más profundo o la eliminación de CO₂, se utilizan tamices moleculares debido a su mayor capacidad de adsorción. Los tamices moleculares de tipo 4A o 13X pueden eliminar la humedad y el CO₂ hasta niveles ultraelevados. Así, las membranas están bien protegidas y el sistema puede funcionar de forma estable en condiciones de trabajo elevadas. El gel de sílice se aplica con menos frecuencia, pero a veces se utiliza en el primer paso para eliminar la mayor parte de la humedad y disminuir el trabajo de la alúmina activada y los tamices moleculares.

Aunque la separación por membrana no puede alcanzar el mismo nivel de pureza que las técnicas PSA o criogénicas, el bajo consumo de energía, la compacidad y la simplicidad del método lo hacen adecuado para su uso cuando son suficientes niveles moderados de pureza del oxígeno.

Conclusión

La producción industrial de oxígeno se basa en diversos métodos adaptados a necesidades específicas: Destilación criogénica para oxígeno de alta pureza, adsorción por oscilación de presión (PSA) y adsorción por oscilación de presión al vacío (VPSA) para pureza media y separación por membrana para soluciones compactas de pureza moderada. En todos estos métodos, el secado al aire es esencial, por lo que los tamices moleculares son de gran importancia. Esto se debe a que tienen una mayor capacidad para adsorber humedad y CO₂, mejorando así la fiabilidad y eficiencia del sistema. Debido a su precisión, robustez y versatilidad, los tamices moleculares siguen siendo una parte vital de la producción contemporánea de oxígeno y ayudan a diversas industrias a conseguir resultados fiables.

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Posibles problemas y soluciones en la producción industrial de oxígeno

Existen varios problemas asociados a la producción industrial de oxígeno, que pueden clasificarse en cuatro áreas principales: consumo de energía, pureza, funcionamiento, almacenamiento y transporte.

Consumo de energía

La destilación criogénica que se utiliza habitualmente necesita mucha energía para enfriar el aire por debajo de -183°C para su licuefacción. Ante esta situación, los fabricantes buscan formas de utilizar técnicas de refrigeración energéticamente eficientes e incorporar energías renovables a los procesos de producción.

Mantenimiento de la pureza

El dióxido de carbono, el agua o el argón pueden contaminar el oxígeno y esto no es bueno para aplicaciones que requieren altos niveles de pureza del oxígeno, como las instalaciones sanitarias. Los sistemas de secado de alta eficacia, como los tamices moleculares, y la monitorización y filtración continuas garantizan que el oxígeno suministrado sea de la calidad adecuada.

Continuidad operativa

Los sistemas PSA requieren la regeneración periódica del adsorbente, lo que provoca paradas en la producción. Los sistemas duplicados y los materiales adsorbentes avanzados, incluidos los tamices moleculares de alta capacidad, reducen el tiempo de avería de los equipos y aumentan la productividad.

Almacenamiento y transporte

El almacenamiento y el transporte de oxígeno también exigen recipientes específicos como botellas de alta presión o tanques criogénicos que necesitan inspecciones frecuentes. Los avances en medios de almacenamiento ligeros y resistentes y la generación de oxígeno in situ eliminan los problemas de gestión de la cadena de suministro.

Con la ayuda de estos retos, la producción industrial de oxígeno sigue siendo capaz de satisfacer las necesidades de diferentes industrias con la ayuda de tecnologías modernas y prácticas eficaces.

Tecnologías emergentes e innovaciones en la producción industrial de oxígeno

El futuro de la producción industrial de oxígeno pasa por la innovación, que se esfuerza por hacer los procesos más eficaces, sostenibles y baratos. Los nuevos avances en destilación criogénica están dirigidos al uso de la energía, que es uno de los mayores factores de gasto. Se están desarrollando nuevas tecnologías de refrigeración para reducir la potencia necesaria para alcanzar temperaturas bajo cero inferiores a -183 °C y mejorar así la eficacia de la producción de oxígeno a gran escala.

En la tecnología PSA, se están diseñando nuevos y mejores materiales adsorbentes, como los tamices moleculares, para mejorar la adsorción de nitrógeno y la selectividad de oxígeno. Estos materiales aumentan la producción de oxígeno, prolongan la vida útil de los sistemas y reducen los gastos de mantenimiento. También se está intentando utilizar una combinación de PSA y técnicas criogénicas para obtener una gran pureza y unos costes de explotación relativamente bajos.

Las nuevas soluciones de monitorización basadas en IA ya están cambiando la industria de producción de oxígeno al proporcionar análisis de datos en tiempo real y mantenimiento predictivo. Estos sistemas reducen los residuos, garantizan el nivel de rendimiento requerido y contribuyen a los objetivos medioambientales.

Por último, el desarrollo de la tecnología de separación por membranas está ampliando las posibilidades de generación de oxígeno. Estos sistemas son pequeños y eficientes desde el punto de vista energético, lo que los hace adecuados para industrias que requieren sistemas pequeños a precios razonables.

Desde la mejora de las tecnologías actuales hasta el desarrollo de nuevos métodos de producción de oxígeno industrial, el mundo se abastece del gas de forma más eficaz y sostenible.